”港“創科25人丨專訪香港城市大學化學系講座教授張華：現代科研要兼顧廣度和深度
21世紀經濟報導見習記者 張偉澤 香港報導
在科幻小說《三體》中，有一種納米材料“飛刃”，只有頭髮絲1/10大小，卻是小說中搭建太空電梯的關鍵材料，承載著人類擺脫地球引力的夢想。納米材料似乎蘊含著無限的可能。
愛因斯坦曾預言：“未來科學的發展無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。” 而納米科學則是人類進入微觀領域的鑰匙。納米材料在電子信息、生物醫藥、新能源、節能環保、建築化工、服裝紡織等領域中顯示出巨大的應用潛能。根據前瞻產業研究院預測，預計至2024年，我國納米材料產業市場規模將接近2000億元。
“當材料的尺寸從米縮小至納米時，它的物理化學性質會隨之發生較大的變化。納米材料具有獨特的物理、化學、光學性質，可以廣泛應用於催化和生物醫藥等方面。” 香港城市大學化學系胡曉明講座教授(納米材料)張華在接受21世紀經濟報導專訪時表示。
張華是納米材料研究領域的著名學者，其課題組的研究領域涵蓋多個前沿交叉學科。目前聚焦在納米材料相工程（PEN）、精細多級結構的可控外延生長等。張華不僅當選歐洲科學院外籍院士，同時也是亞太材料學院院士，入選“全球最有影響力科學思想名錄”和“高被引科學家名單”。
尋找根本不存在的材料
納米技術是用原子、分子作為基本單元來製造納米尺度物質的科學技術。張華表示，不同的原子排列以及排列方式的差異會導致材料結構的不同，會得到許多不同於常規材料的結構，這為之後材料性質與應用的研究提供無限的可能。“我的興趣點在於尋找這個世界上難以存在或根本不存在的材料。”
1959年12月29日，物理學家理查德·費曼在加州理工學院舉行的美國物理學會年度會議上發表對納米技術的展望演講中提到“底下還大有可為”（There’s Plenty of Room at the Bottom）。
張華表示，利用bottom up（自下而上）的合成方法可以得到很多新奇的材料，科學家可以通過觀察分子和原子組裝形成結構的過程獲得啟發。
他進一步表示，技術與科學是交互發展的，技術的發展會為科學帶來巨大的推動力。觀察原子和分子的組裝就得益於微米和納米尺度的觀察儀器的出現。
在這種自下而上的合成方法的指引下，張華團隊提出了“納米材料相工程”的新理念。“納米材料相工程”是指不同（晶）相的納米材料的合理設計、製備以及相轉變。材料的結構決定其性質，並決定材料的最終應用。
“人工智能驅動的科學研究”已成為全球人工智能新興前沿。在尋找新材料的過程中，除了科學家自身的理念和經驗之外，也可以利用最前沿的人工智能（AI）為其提供幫助。張華曾在論壇中提到，可以利用新興的人工智能進行材料的篩選和預測。張華指出，隨著AI技術的發展，未來納米材料領域可以採用AI模擬原子排列的過程，從中得到更多的結構，並由此得到啟發。如果合成材料性能未達要求，再利用AI模擬結構、微調結構，達到最優性能，這將是未來的發展方向。
創新點總在學科交叉之處
事實上，除了人工智能與納米材料領域的結合，納米科技的發展也離不開與其他學科的合作。近些年蓬勃發展的交叉學科填補了各門學科之間邊緣的空白，消除了各學科的脫節現象。
物理學家、量子論的創始人M·普朗克曾表示：“科學是內在的整體，被分解為單獨的部門不是取決於事物的本質，而是取決於人類認識能力的局限性。實際上存在著由物理學到化學、通過生物學和人類學到社會科學的鏈條，這是一個任何一處都不能被打斷的鏈條。”
張華認為，每個學科都有自身的局限性，各個學科之間的合作會產生協同效應，這有助於學科的發展和創新，交叉點往往是突破和創新之處，這樣也有利於科學向前發展。
納米材料領域就涉及很多學科的交叉，涵蓋了物理學、化學、生物學等多個領域，由此衍生出納米毒理學、納米光學等多個學科。
張華認為，現代科研既要做得深也要做得廣。科研細化意味著研究要更為深入，現代科研需要不停地深入挖掘現象背後的原因，才能獲取具有深度的理解。而學科之間的交叉本身是一種做得更廣的方式，學科之間的交叉可以做到合成、表徵、應用以及機理解釋等方面。
學科的交叉也是學術思想的交融。張華指出，單個科學家的能力是有限的，需要通過合作來互相交融，理解與交流。科學家在材料科學研究中所遇到的合成、性質測試以及理論計算等問題都需要與其他科學家合作完成。這也是與不同學科的科學家互相學習的過程。不同學科互相交融所帶來的綜合性會驅使學科不斷地發展。
業界與學界需要更多橋樑
跨學科的合作也為張華帶來豐碩的科研成果。2023年，張華所領導的國際團隊研發出一種高效的電催化劑，可大幅提升電催化水分解產生氫氣的效能，這一重大突破對清潔能源產業具有巨大的應用潛力。論文發表在著名的Nature（自然）期刊上。
張華透露，目前有很多公司正在洽談將這項研究成果進行商業化的事宜。不過他也指出，在實驗室中製備的樣品與真正的工業應用仍有較大差距，還需要商業公司思考如何將技術進行商業落地。未來有可能將相關技術授權給企業，或是支援學生創辦初創公司。
張華指出，基礎研究最終也希望能夠成為產品造福人類。但科學家要明確自身定位，要將有限的時間用於自己最感興趣以及最擅長之處。他認為，自己還是更希望聚焦於基礎研究，因為新材料這類基礎研究是應用的根本。
為了促進香港創科發展，香港特區政府推出多項措施促進產學研合作。2023年，香港特區政府推出了100億港元的RAISe+產學研計劃，以配對方式資助至少100家研究團隊，幫助他們將研究商業化。
張華指出，其團隊在進行基礎研究時，會瞄準一些業界的難點和熱點，同時會將一些有應用前景的技術申請專利。在這個過程中，基礎研究走在企業前頭。基礎研究可以以技術支援的方式支援企業發展，通過雙方的溝通和反饋，瞭解企業的需求，再不斷改進科研。
他表示，在與學術界和業界的溝通過程中，需要有更多的橋樑。一些中介機構可以收集業界的難點和痛點，將這些信息彙總與學術界溝通，讓學術界幫忙解決相關問題，這樣更能加快技術的轉化。
小材料，大空間
《21世紀》：很高興您能接受我們的採訪，首先想請問一下，相較於普通的材料，納米材料會有什麼樣的特性？目前在我們生活中有怎麼樣的運用？
張華：納米是一個長度的單位，相對於米、釐米而言，其大小為10的-9次方米，相當於人的一根頭髮絲的六萬分之一。從材料的角度上來說，我們觀察到的都是宏觀的大尺度材料。納米材料在尺寸縮小的過程中，其物理化學性質發生顯著變化，相對於bulk材料而言，納米材料具備獨特的物理化學光學性質，可廣泛應用於催化、生物、醫藥等領域。
《21世紀》：能否介紹一下當時為什麼會選擇納米材料作為您的研究的領域？
張華：我的研究方向聚焦在材料和化學，尋找世界上難以存在或者根本不存在的材料是我的研究興趣和方向。隨著科技的發展，電子顯微鏡等設備使得觀察納米材料成為可能，從化學合成的角度，將原子組裝在一起可得到多種新材料。
因為不同的原子排列的方式，造成材料結構不同。這讓我們得到了很多不同於我們（已經）看見的常規材料的結構，這些材料有的時候自然界根本就找不到，或者是難以存在。而原子的排列在常規的材料中，它的能量最低。這其中有很多可調的空間，也為我們創造新材料、研究新的功能和性質及將來的應用帶來了無限可能。
《21世紀》：在追尋一些世界上本不存在或者難以被發現的材料時，是否需要基於原來的研究經驗來尋求新的思路或配合方式，還是重新開闢其它途徑？
張華：經驗和知識的積累對研究是有影響的。1959年費曼發表了一篇非常著名的演講，他說“在下面（底部）有足夠的空間”（There’s Plenty of Room at the Bottom），為納米科技的發展提供了一些前瞻性的思路。技術和科學是相互發展的，技術的發展有時會帶來科學上的推動。利用觀察微小尺度的儀器，通過實時觀察得到經驗，瞭解分子和原子如何組裝形成結構，為新材料的合成提供了啟示。這種自下而上的合成方法可以得到許多新奇材料，不同結構導致不同性能，為不同應用提供了可能。
《21世紀》：您在2023年北京石墨烯論壇上曾分享過一個用AI來設計新的納米結構的構想，那AI在未來的納米研究領域將會扮演一個什麼樣的角色？
張華：科學家對AI的應用越來越重視。在納米研究中，通過AI模擬原子排列，預測可能的結構，在排列過程中可以獲得很多材料，為科學家提供很多啟發和指導。如果合成材料性能未達要求，再利用AI模擬結構、微調結構，達到最優性能，這是未來的方向。
《21世紀》：假設未來某一天AI技術足夠成熟，是否會出現一整套完全由AI技術控制主導的流程？
張華：這是可能的，但仍有局限性。如果我們可以建立一套有規則的系統，那麼AI的表現可能更佳。但AI能否通過學習再創新，這仍是一個問號。在深度學習方面，需要人類用新的想法來指導AI學習再創新，畢竟人腦是最聰明的。但AI完全取代人類目前看起來暫時不太可能。
學科交融促進發展
《21世紀》：很多人說人類的進步可能就靠某幾個科學家的靈光一現，例如苯環的發現、牛頓發現地吸引力。您的研究其實跟其他很多學科，包括產業都有很大的關聯，那麼學科之間的交叉合作會帶來什麼樣的意義？
張華：學科交叉非常重要，物理、化學、生物的交叉為科學的發展創造了無限可能。每個學科都有自己的局限性，各個學科之間的合作會產生協同效應，有助於學科的發展和創新，交叉點往往是突破和創新的地方，這樣也有利於科學向前發展。
《21世紀》：這對於科研人員的專業要求是否會變得更加嚴格？
張華：科研人員不可能什麼都懂，因此跨學科合作非常重要。在前沿科學領域，合作已經成為普遍現象。一篇文章中可能包含很多作者，在學科交叉的過程中，科學家可以促進交流，互相學習，產生突破點和創新，造福人類。
《21世紀》：在過去跨學科的合作中是否碰到過一些困難？
張華： 困難是無限的。我們組通常將注意力集中在材料的設計與合成上，合成完成後需要對其性質進行測試與表徵，測試其功能與應用。最後需要解釋其機理，有時還需要進行理論計算。實際上，這些過程都需要與他人合作。當進行理論計算時，我們經常會尋求一些著名的科學家來進行理論計算和模擬。我們在交叉與合作的過程中相互學習，他們也會瞭解我們先進的合成理念，而我們也會學習他們通過計算解釋為何某個材料具有優異性能。這樣的合作可以促使我們不斷改進我們的合成手段，獲得更好的材料和性能。
《21世紀》：一方面是學科之間的交叉，另一方面是一些領域在不斷地細化研究方向，這反映了當下科研發展是一個怎樣的變化？
張華：這反映了科研現在要做得深入又要做得廣。現在的科研需要深入挖掘原因、功能和應用，廣泛涉獵合成、表徵、應用和機理解釋。
基礎研究是商業化的技術支援
《21世紀》：您在2023年帶領團隊利用非常規晶相的納米片合成了一種高效電催化劑，大幅度提升水分解產生氫氣的效能，穩定性極為突出。這在清潔能源產業中有巨大應用潛力，能否向我們介紹一下這個研究？
張華：這項研究基於“納米材料相工程”，設計了一種催化劑的載體。作為催化劑的載體，它不僅產氫，可以抓住單原子，高載量的單原子催化劑，同時它的導電性非常好。由於這種協同效應，就構成了符合催化劑的system系統，當載體加上單原子催化劑，它的催化劑的性能非常優異，這相當於我們的“納米材料相工程”的應用。
《21世紀》：對於這項研究未來的商業前景如何？
張華：如果我們的催化劑能夠成功應用於氫能產業，對氫能發展和實現“雙碳”目標將做出重要貢獻。而且，目前已有多家公司與我們洽談這方面的事宜。
《21世紀》：能否介紹一下這些公司與您商談商業合作的具體模式？
張華：由於我們主要從事基礎研究，我們能提供技術支援。我們認為催化劑仍需不斷改進，因此我們願意與相關企業合作，提供技術支援或專利許可。學生如果有興趣創辦公司，我們也會全力支援。然而，由於我們所使用的是納米材料，實驗室只能生產少量的催化劑，通常只能達到毫克級。而在真正的工業應用中，可能需要噸級甚至是萬噸級的產量。因此，最終的發展還需要與業界的合作夥伴共同思考如何實現規模化生產。當然，我們可以在學校提供一些技術支援。
《21世紀》：目前整個香港都在積極推動產學研的轉化。有一些人選擇像您一樣將技術成果提供給企業，還有一些教授則選擇親自創辦企業，從事創業。您對這兩種模式有何看法？
張華：這兩種模式都有其優點，實際採用哪種方式取決於科學家自身的定位。個人的成功在於將時間投入到自己最感興趣、最擅長的領域。對於喜歡創業的教授，也是一種嚐試。而我個人更偏向於專注在基礎研究上，因為新材料是一切技術的基礎。擁有了新技術，再進行開發和利用。當然，正如我剛才所提到的，我們可以通過授權的方式與公司進行合作。而對於學生創業，我們也會全力支援。
產學研之間需要橋樑
《21世紀》：請問您認為要如何保持企業和學界之間的溝通，以防止一些研究的商業前景未被發現？
張華：對於我們認為有應用前景的基礎研究，我們會申請專利使其公開，同時在這一過程中瞄準業界難題。我們的基礎研究是走在行業前列，先解決問題。學術界需要與企業保持溝通和合作，在最終與業界合作落地技術時，企業會將一些技術的缺點反饋給我們，我們再進行改進。
《21世紀》：如何讓業界發現這項研究？
張華：我們通過發表高質量文章、學校宣傳和專利申請等方式來進行宣傳。學術報告時，也會有業界人士參加。此外，香港城市大學的HK Tech 300項目也為學生提供創業支援，如一些小額的種子基金，並鼓勵學生創業。
《21世紀》：香港目前正在積極推動創新科技的發展，促進產學研一體化。您如何評價香港整體的創新科技環境？
張華：香港的這個方向是非常對的，不僅在香港，不僅在大灣區，全球範圍內都是如此。基礎研究經過審視後，能夠成為產品造福國家和人類是我們的最終目標。在這個過程中，經驗的積累是必要的。與業界更緊密的聯繫也是推動技術轉化的關鍵。政府和代理機構可以充當學界與業界的橋樑，促進雙方更有效地合作。當然，我們還需要更多地瞭解業界的問題和需求，通過科研嚐試來解決，同時學術界和業界可以共同合作，比如通過招收博士生、碩士生，或者企業博士後來解決這些問題。
（實習生管黃燊儀 李佳璐對本文亦有貢獻）
策劃：於曉娜
記者：張偉澤
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（作者：張偉澤 編輯：李豔霞,朱麗娜）
